指針和數(shù)組在PLC 數(shù)據(jù)傳送邏輯中的應用

張新杰

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

在大型自動化生產(chǎn)線項目中，每個自動化工位之間和工位內(nèi)部都會涉及到數(shù)據(jù)的存儲、讀寫和傳送問題。PLC 具有結(jié)構(gòu)簡單、編程方便、可靠性高等特點，在工業(yè)及生產(chǎn)過程中得到廣泛應用[1]。但是PLC 常用的編程語言功能簡單，無法實現(xiàn)復雜的控制邏輯和算法運算[1-2]。隨著我國生產(chǎn)水平的不斷發(fā)展與進步，傳統(tǒng)工業(yè)制造對電氣自動化控制也有了新的需求。信息技術與傳統(tǒng)工業(yè)制造行業(yè)的結(jié)合是必然趨勢[3]，PLC對復雜的控制邏輯和算法運算的需求勢必會日益增大。隨著高級編程語言在PLC 中的應用日益普遍[4]，研究在PLC 編程中應用高級編程語言具有重要的現(xiàn)實意義。

本文在PLC 編程中應用高級編程語言的數(shù)組和指針編程方式，用來解決實際控制邏輯中大量數(shù)據(jù)的傳送問題。寄希望本文能起到拋磚引玉的效果，引起讀者對PLC 編程中的高級編程語言學習的重視。

1 產(chǎn)線概述及工況分析

某大型剪叉自動焊接生產(chǎn)線項目中，由剪叉激光切割工位、剪叉人工組隊工位、剪叉半成品板鏈線工位、剪叉自動焊接工位、搬運機器人、剪叉成品板鏈線工位、剪叉成品緩存工位和AGV 運輸小車駐車工位組成。其中，剪叉成品緩存工位上游“聯(lián)接”剪叉成品板鏈線工位和剪叉自動焊接工位，下游“銜接”AGV 運輸小車。該剪叉成品緩存工位有伺服電機驅(qū)動的“桁架”，負責從板鏈線工位上抓取剪叉成品，經(jīng)過RFID 識別后分別存放至剪叉成品緩存工位的緩存區(qū)域。根據(jù)剪叉成品不同的型號規(guī)格，緩存區(qū)域設置有20 個剪叉緩存位置；每個緩存位置可以疊放至8 層。同時，AGV 運輸小車上有可以疊放8 層的10 個剪叉存放位置。“桁架”不僅負責從剪叉成品板鏈線工位抓取剪叉成品存放于剪叉緩存區(qū)域，同時也負責從剪叉緩存區(qū)域抓取剪叉成品至AGV 運輸小車的剪叉存放位置。

在剪叉成品緩存工位中，有一個剪叉成品板鏈線取料點位置，一個桁架停車位；有20 個剪叉成品緩存區(qū)域位置以及10 個AGV 的剪叉存放位置，共計32 個位置點。每個位置點有4 個位置數(shù)據(jù)值需要存儲，分別是：大車方向位置值（X 方向），小車方向位置值（Y 方向），起升方向位置值（Z 方向）及疊放層數(shù)的數(shù)值。綜上，該工位僅存取位置值所需位置數(shù)據(jù)量已經(jīng)多達128 個。而剪叉成品緩存工位能否正確運行的關鍵，取決于PLC 控制系統(tǒng)能否給到正確的大車方向、小車方向和起升方向的位置數(shù)據(jù)值至大車、小車和起升伺服控制器。剪叉成品緩存工位的總覽圖如圖1 所示。

圖1 剪叉成品緩存工位總覽

2 數(shù)據(jù)傳送邏輯分析和優(yōu)化

2.1 數(shù)據(jù)傳送邏輯分析

剪叉成品緩存工位一旦剪叉成品板鏈線位置、20個剪叉成品緩存區(qū)域以及AGV 停車位置確定，那么這32 個位置點相對于桁架的“零點”的數(shù)據(jù)值就會確定；這些數(shù)據(jù)值就是伺服控制器運行的目標值。

拋開其他的PLC 控制邏輯不談，如果按照常規(guī)的PLC 編程方式把每個位置點的位置數(shù)據(jù)傳送到伺服控制器，這就需要使用“MOVE”指令。把上述確定的位置數(shù)據(jù)值發(fā)送至伺服控制器，一個位置點需要使用4 次“MOVE”指令；32 個位置點需要使用128 次“MOVE”指令。編寫完成這段數(shù)據(jù)傳送邏輯后，會發(fā)現(xiàn)以下2 個問題。

2.1.1 數(shù)據(jù)傳送邏輯篇幅冗長，不夠簡練

僅僅一個傳送位置數(shù)據(jù)到伺服控制器的邏輯，就需要重復使用“MOVE”指令128 次。篇幅過長，增加查看邏輯、尋找故障上的困難。如果存儲的位置點再增加的話，這段數(shù)據(jù)傳送邏輯篇幅需要得更長。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳送邏輯修改不方便、易出錯

現(xiàn)場調(diào)試階段不確定因素較多，位置點的增加、減少或者調(diào)整的情況屢見不鮮。在這種情況下就會出現(xiàn)大量的邏輯增加、刪除或者數(shù)據(jù)修改工作。稍有不慎，很容易出錯；給調(diào)試工作帶來諸多不便。對于大型復雜的控制系統(tǒng)，修改某一局部控制邏輯時，很可能會牽涉到整個系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)，給系統(tǒng)其他部分造成意料不到的影響[2]。

2.2 數(shù)據(jù)傳送邏輯優(yōu)化

常規(guī)的編程方式需要大量的重復使用“MOVE”指令，而且一旦修改或刪除即有可能對整個控制系統(tǒng)造成嚴重的影響。能否簡化僅使用一個“標識”就能同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)呢？高級編程語言中的“指針”和“數(shù)組”不就是利用指針來傳送數(shù)據(jù)的嗎[5-6]？利用“指針和數(shù)組”的思維，重新梳理下位置數(shù)據(jù)傳送的這段邏輯。

首先在PLC 控制程序中，建立4 個一維數(shù)組；分別對應32 個位置點大車方向位置值、小車方向位置值、起升方向位置值和疊放層數(shù)的數(shù)值。數(shù)組內(nèi)的元素初步設定為40 個，從0~39；并規(guī)定板鏈線大車位置[0]作為板鏈線的位置數(shù)據(jù)值，板鏈線大車位置[1]~[20]作為存儲區(qū)1 號至20 號位置數(shù)據(jù)，板鏈線大車位置[24]作為桁架停車位位置數(shù)據(jù)，板鏈線大車位置[25]~[34]作為AGV 存儲區(qū)10 個位置值數(shù)據(jù)（板鏈線大車位置[21]~[23]和[35]~[39]作為備用）。將32 個位置點的大車方向位置值、小車方向位置值、起升方向位置值和疊放數(shù)量值分別填入對應的數(shù)據(jù)內(nèi)，并把這些數(shù)據(jù)的屬性設置為斷電保持；防止這些位置數(shù)據(jù)值的丟失。

現(xiàn)在，只需要一個“指針”指向想要讀取或者寫入的位置數(shù)據(jù)即可；這樣位置數(shù)據(jù)傳送的這段邏輯就極大地簡化。位置數(shù)據(jù)的修改只需要到相應的數(shù)組內(nèi)修改即可。同時，位置點的數(shù)量也可以通過調(diào)整數(shù)組內(nèi)元素的數(shù)量來調(diào)整。極大方便了現(xiàn)場的調(diào)試，也降低現(xiàn)場修改邏輯的工作量及發(fā)生錯誤的機率。

3 數(shù)據(jù)傳送邏輯的實現(xiàn)

3.1 利用系統(tǒng)功能塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送邏輯

在西門子PLC 中，S1500 系列相對高等級的PLC中使用FileRead：讀取域的功能塊就可以實現(xiàn)上述功能。從該功能塊的幫助文檔中可以得知，INDEX 是要讀取數(shù)據(jù)值的索引值，MEMBER 是要讀取數(shù)據(jù)數(shù)組的第一個元素；而VALUE 則是讀取到索引值對應數(shù)據(jù)值[7]。PLC 程序中讀取桁架大車位置數(shù)據(jù)的程序邏輯，如圖2所示。

圖2 FileRead 讀取域功能塊

根據(jù)FileRead 讀取域的幫助文檔說明，當需要板鏈線大車方向位置數(shù)據(jù)時，只需要把INDEX 輸入“指令變量”的值設置為0；VALUE 輸出的值就把板鏈線大車位置值數(shù)組內(nèi)第一個數(shù)值（板鏈線）自動傳送到“自動運行大車目標值”的變量中。而當需要AGV 存儲區(qū)10 號位置時，需要把“指令變量”的值設置為34 即可。這里的“指令變量”就類似高級編程語言中的“指針”，利用修改“指針”的數(shù)值，得到想要的數(shù)組內(nèi)的數(shù)值[5-6]。

以此類推，利用FileRead 讀取域的功能塊同樣可以很方便得到桁架所需要的小車方向位置數(shù)據(jù)、起升方向位置數(shù)據(jù)及疊放數(shù)量值，進行數(shù)據(jù)計算和下一步的邏輯處理。

3.2 編寫程序塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送邏輯

如果PLC 中沒有FileRead 讀取域的系統(tǒng)功能塊時，則可以利用“指針和數(shù)組”的編程方式編寫功能塊來實現(xiàn)相同的功能。在西門子PLC 中，使用高級編程語言SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）編寫相應程序邏輯就可以實現(xiàn)和FileRead 讀取域系統(tǒng)功能塊相同的功能。

首先是讀取功能塊輸入的數(shù)據(jù)（整型數(shù)據(jù)的一維數(shù)組），把一維數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)存入臨時的一維數(shù)組內(nèi)（Temp_Int_Arr）。利用Index_Data 的“指針”變量指向要讀取的數(shù)據(jù)，并通過#Temp_REF_Data：= REF（#Temp_Int_Arr [#index_Data]） 以及#Int_DataOut：=#Temp_REF_ Data^;語句輸出。功能塊邏輯及功能對比測試左側(cè)部分的控制邏輯，如圖3 所示。

圖3 功能塊邏輯及功能對比測試

編寫完成功能塊后，在主程序中分別調(diào)用ArrayDataRead 功能塊和FieldRead 系統(tǒng)功能塊。在“指針”變量輸入側(cè)填入相同的變量（Pointer1），數(shù)據(jù)輸入側(cè)填入相同的一維數(shù)組（Test_DB.Test_Int_Data）。下載程序后運行并在線監(jiān)控，從圖3 功能塊邏輯及功能對比測試的右側(cè)部分可以看到，編寫的ArrayDataRead 功能塊和FieldRead 系統(tǒng)功能塊運行輸出的結(jié)果相同，證明編寫的功能塊ArrayDataRead 和系統(tǒng)功能塊FieldRead 有相同的功能。

綜上所述，無論是采用FieldRead 系統(tǒng)功能塊還是使用自主編寫的ArrayDataRead 功能塊，都能極大地簡化桁架位置數(shù)據(jù)傳送的控制邏輯；降低桁架位置數(shù)據(jù)傳送控制邏輯的編寫量，使PLC 程序更易于查看、修改和故障排查。

4 “指針和數(shù)組”應用的拓展

無獨有偶，在某項目設備的編碼器參數(shù)傳送邏輯中，同樣也應用到“指針和數(shù)組”編程方式，實現(xiàn)了根據(jù)設備ID 進行編碼器參數(shù)傳動功能的邏輯。根據(jù)項目控制邏輯的需求，通過設備的ID 進行判斷，從而傳送出左右2 個不同的編碼器參數(shù)并進行長度數(shù)據(jù)的運算。

首先，在PLC 中設置128 個整形量編碼器參數(shù)的一維整型變量數(shù)組Paramter_Array；并根據(jù)需要設置相應的編碼器參數(shù)（按照先右側(cè)編碼器參數(shù)后左側(cè)編碼器參數(shù)排列，共64 組）。然后，將設備的ID 作為“指針”進行轉(zhuǎn)換并計算，把計算結(jié)果放入臨時變量Temp 中；即Temp：=（Byte_To_Int（SP_ID）-1）*4;。緊接著獲得一維數(shù)據(jù)的首地址ADR（Patameter_Array）；那么右側(cè)編碼器參數(shù)數(shù)據(jù)的地址為Ptr：=ADR（Patameter_Array）+Temp;，左側(cè)編碼器參數(shù)數(shù)據(jù)的地址為Ptr1：=ADR（Patameter_Array）+Temp+2;。最后把左右兩側(cè)編碼器的數(shù)參數(shù)據(jù)分別輸出，即R_Encode_Para：=Ptr^;和L_Encode_Para：=Ptr1^;。這樣就可以實現(xiàn)以設備的ID 作為“指針”；來獲取對應的左右兩側(cè)編碼器參數(shù)的功能。圖4 為獲取設備編碼器參數(shù)圖片內(nèi)所示的控制邏輯。

圖4 獲取設備編碼器參數(shù)

5 結(jié)束語

在PLC 控制邏輯中采用高級編程語言中的“指針和數(shù)組”編程方式，不僅順利解決了剪叉成品緩存工位中桁架定位數(shù)據(jù)的存儲和傳送問題，以及實現(xiàn)用設備ID 選擇編碼器參數(shù)的功能，而且極大地簡化數(shù)據(jù)傳送的控制邏輯。增加了PLC 控制邏輯的可讀性，降低桁架位置數(shù)據(jù)傳送和編碼器參數(shù)選擇控制邏輯的編寫量，使PLC 程序更易于查看、修改和故障排查。隨著科學技術的不斷進步，PLC 的控制系統(tǒng)將會日趨龐大和復雜；其勢必會面臨更為復雜的控制邏輯及算法計算。因此，對PLC 編程中高級編程語言的學習愈發(fā)緊迫和重要。